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Esta dissertação de mestrado apresenta a análise feita sobre o impacto da interferência gerada por uma rede LoRaWAN coexistindo no mesmo ambiente que uma rede IEEE 802.15.4g de interesse. As simulações comparam o modo de múltiplos saltos, restrito ao dual-hop nessa análise, com um algoritmo cooperativo, ambos utilizando seleção de relays. Pretende-se avaliar o desempenho desses protocolos, de maneira que seja possível transmitir uma grande quantidade de informações durante o tempo de vida útil da rede, sem prejudicar a taxa de comunicação e, dessa forma, dimensionar a rede para consumir o mínimo de recursos necessários. Além disso, foram explorados cenários com diferentes configurações para determinar os impactos causados pela interferência de acordo com a característica de cada rede. Os resultados mostram que a modificação do protocolo de comunicação IEEE 802.15.4g visando suportar cooperação, especialmente em ambientes que sofrem interferências de outras redes, chega a transmitir de 4 a 20 vezes mais informação, para os parâmetros de rede aqui considerados, quando comparado com o método tradicional usando o modo dual-hop. Isso também permite que seja possível distribuir uma quantidade pelo menos 150 vezes menor de nós cooperativos para atingir o mesmo objetivo de quantidade de informação, o que implica em menos investimento em hardware. This master’s thesis presents the analysis made on the impact of the interference generated by a LoRaWAN network coexisting in the same environment of an IEEE 802.15.4g network of interest. This work analyses the impact of the interference generated by a LoRaWAN network coexisting in the same environment of an IEEE 802.15.4g network of interest. The simulations compare the multi-hop mode, restricted to dual-hop in this analysis, with a cooperative algorithm, both using relay selection. It is intended to evaluate the performance of these protocols, só that it is possible to transmit a large amount of information during the lifetime of the network, without impairing the communication rate and, thus, dimensioning the network to consume the minimum of necessary resources. The results show that the modification of the IEEE 802.15.4g communication protocol in order to support cooperation, especially in environments that are affected by interference from other networks, transmits from 4 to 20 times more information, with the system parameters here considered, when comparing to the traditional method using the dual-hop mode. This also allows it to be possible to distribute at least 150 times fewer cooperative nodes to achieve the same amount of information objective, which means less hardware investment.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Para suprir as exigências de seus usuários, as redes celulares 5G devem ser altamente eficientes, tornando a eficiência energética um dos desafios e objetivos primários dos cenários de comunicações modernos. Além disso, o aumento no número de dispositivos e requisitos dos usuários dessas redes podem tornar as soluções analíticas aplicadas no contexto da eficiência energética e otimização de parâmetros da comunicação não factíveis, dada a complexidade atrelada à essas soluções. Para superar esse problema, soluções mais robustas e flexíveis, que exploram os dados gerados pela rede e tornam decisões em tempo real são as exigidas por essas redes futuras. Nesse contexto, a utilização de técnicas de Aprendizado de Máquina, capazes de analisar uma enorme quantidade de dados e aprender com eles, é uma possível solução, podendo ser aplicadas, por exemplo, em diferentes contextos de redes auto-organizáveis. O objetivo da presente dissertação é analisar uma aplicação de otimização do posicionamento de VANTs, Veículos Aéreos Não Tripulados, em um cenário de eventos temporários baseando-se em um algoritmo Q-learning, uma técnica de aprendizado por reforço, na qual os agentes das soluções propostas aprendem a agir para maximizar uma determinada recompensa. Duas diferentes recompensas são propostas e comparadas, com a primeira visando apenas minimizar o número de usuários em indisponibilidade e a segunda buscando maximizar a eficiência energética, considerando a quantidade de energia usada para a movimentação VANTs. A solução Q-learning é responsável por determinar o melhor posicionamento no espaço tridimensional e a potência de transmissão ideal, dados alguns níveis de potência possíveis. Os resultados obtidos mostram que a otimização da potência de transmissão implementada reduziu a probabilidade de indisponibilidade dos usuários da rede, uma vez que a interferência entre os VANTs foi minimizada a partir da alocação da potência adequada e, além disso, é mostrado que a introdução de um fator de desconto na recompensa do algoritmo relacionado ao gasto de energia para as movimentações VANTs foi capaz de aumentar consideravelmente a eficiência energética da rede, com uma penalidade no desempenho em relação à cobertura de usuários. Finalmente, para as duas soluções consideradas e de acordo os seus respectivos objetivos, a técnica Q-learning, a partir da sua capacidade de aprender com a iteração com um ambiente e de experiências anteriores, mostrou-se capaz de resolver o problema de auto-organização da rede baseada em VANTs de uma maneira eficiente, apresentando-se como uma solução promissora para as futuras redes celulares. To meet users demands, 5G cellular networks require high operational efficiency, making energy efficiency one of the primary challenges and objectives of modern communication systems. In addition, the increase in the number of devices and user requirements in these networks may turn analytical solutions applied in the context of energy efficiency and optimization of communication parameters not feasible, given the complexity associated to these solutions. To overcome this problem, more robust and flexible solutions that exploit the data generated by the network and make real-time decisions are required by these future networks. In this context, the use of Machine Learning techniques, capable of analyzing a big amount of data and learning from it, is a possible solution and can be applied, for example, in different self-organizing network contexts. The aim of this work is to analyze a positioning optimization application of UAVs, Unmanned Aerial Vehicles, in a scenario of temporary events based on a Q-learning algorithm, a reinforcement learning technique in which the agents learn to act to maximize a given reward. Two different rewards are proposed and compared, with the first aiming only to minimize the number of users in outage and the second provided to maximize energy efficiency by considering the amount of energy used for UAVs movements. The Q-learning solution is responsible for determining the best three-dimensional positioning and optimal transmit power given some possible power levels. The results show that the optimization of the transmission power reduced the percentage of users in outage, since interference between UAVs was minimized by allocating adequate power. Furthermore, it is shown that the introduction of a discount factor in the algorithm reward for UAV movements has been able to considerably increase the energy efficiency of the network, with a performance penalty over the user coverage. Finally, for the two solutions considered and in accordance with their respective objectives, the Q-learning technique, based on its ability to learn from iteration with an environment and from previous experiences, proved to be able to solve the problem of self-organization of the UAV-based network in an efficient manner, presenting itself as a promising solution for future cellular networks.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Neste trabalho, nos concentramos na eficiência energética em redes de comunicação sem fio, especialmente comparando as vantagens da técnica de seleção de antenas (AS, Antenna selection) com outras técnicas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO, Multipleinput multiple-output). Portanto, discutimos dois cenários modernos de rede: primeiro consideramos a implantação estações rádio base de pequeno porte (SBS, Small base stations) e, em seguida, uma implantação de rede de dispositivo-a-dispositivo (D2D, Device-to-device). No cenário de SBS, analisamos a eficiência energética por área (AEE, Area energy efficiency) para as técnicas de seleção de antenas (AS), máxima razão na transmissão (MRT, Maximal ratio transmission) e multiplexação espacial (SM, Spatial multiplexing). Também empregamos diferentes níveis de atenuação de interferência e um modelo realista de consumo de energia. A partir desse cenário apresentamos a representação matemática e nossos resultados mostram que o AS tem maior AEE que as outras técnicas quando a demanda por capacidade do sistema é baixa, enquanto o SM se torna mais eficiente energeticamente quando a capacidade demandada é maior. No entanto, observamos que o AS tem mais eficiência energética por área para distâncias curtas, isso se deve à menor energia consumida pela cadeia de RF (RF, Radio Frequency) em todos os nós. Ainda, podemos concluir que o desempenho do sistema com pequenas SBS, em termos de AEE, é fortemente dependente da quantidade de interferência, que ao mesmo tempo depende do modelo de consumo de energia. Ademais, no cenário de comunicação D2D examinamos a técnica AS em comparação com a técnica MRT. Além disso, também assumimos que os nós D2D estão distribuídos de acordo com um processo de Poisson homogêneo (PPP, Poisson point process), os quais interferem uns com os outros. Em outras palavras, eles compartilham o mesmo espectro e empregam um número limitado de bits de feedback. Assim, os resultados numéricos mostram que a técnica de MRT possui maior eficiência espectral que o AS para um mesmo número de nós interferentes em uma determinada área. Por outro lado, a distância do par D2D tem um impacto maior no aumento da eficiência energética da área para a rede. Além disso, para curtas distâncias o esquema AS tem melhor desempenho em comparação ao MRT, mesmo quando esse último emprega um número maior de bits de feedback. É notavel o melhor desempenho do AS em comparação ao MRT para distâncias curtas quando o número de antenas de transmissão aumenta, ou seja, apesar de proporcionar maior taxa de dados, o aumento do número de antenas no MRT não compromete consideravelmente sua eficiência energética. In this work we focus on the energy efficiency in wireless communication networks, especially comparing the advantages of the antenna selection (AS) technique among other multiple-input multiple-output (MIMO) techniques. Therefore, we discuss two different network scenarios: first considering a small base stations (SBS) deployment, and then a device-to-device (D2D) network deployment. In the small SBS scenario we analyze the area energy efficiency (AEE) for antenna selection (AS), maximal ratio transmission (MRT) and spatial multiplexing (SM) techniques. We also employ different interference cancellation levels and a realistic power consumption model. We derive the mathematical representation and our results show that AS has a larger AEE among the other techniques when the demand for system capacity is low, while SM becomes more energy efficient when the demanded capacity is larger. However we observe that AS has more AEE for short distances, which is due to the lower energy consumed by the Radio Frequency (RF) chains in every node. Yet, we can conclude that the system performance with small SBS, in terms of AEE, is strongly dependent on the amount of interference, which at the same time depends on the power consumption model. In addition, our second scenario is the D2D communication network, where we examine the AS technique in comparison with MRT. Furthermore, we also assume that the D2D nodes are distributed according to a homogeneous Poisson process (PPP), which interfere with each other, i.e., share the same spectrum, and they employ a limited number of feedback bits. Therefore, in the numerical result we also observe MRT technique is more spectral efficient than AS regardless of the number of interfering nodes in the area. On the other hand, the distance of the D2D pair has a larger impact in increasing the AEE of the network, with AS outperforming MRT even when the latter employs a larger number of feedback bits. It is also noteworthy the performance of AS in comparison to MRT for short distances when the number of transmit antennas increases, i.e., despite providing higher data rate, measured in terms of the spectral efficiency, the increased number of antennas for MRT does not considerably compromises its energy efficiency.

A crescente demanda por sistemas de comunicação sem fio torna a segurança da informação transmitida um importante aspecto a ser considerado no desenvolvimento de novos sistemas. Desta forma, nesta tese abordamos diferentes estudos da segurança na camada física considerando cenários com regimes parciais de segurança, múltiplas antenas e blocos de tamanho finito. Com relação aos regimes parciais de segurança, investiga-se a eficiência energética segura (SEE, do inglês Secure Energy Efficiency) de uma rede cooperativa nos quais os requisitos parciais de segurança são implementados através de um parâmetro de equivocação fracionário, θ ϵ (0, 1], que permite segurança parcial quando θ < 1. Assume-se que somente a informação do estado do canal (CSI, do inglês Channel State Information) do canal legítimo está disponível, enquanto a CSI da escuta é desconhecida. Desta forma, propomos um esquema denominado CSI-Aided Decode-and-Forward (DF), em que o transmissor utiliza da CSI disponível do canal legítimo para escolha entre o caminho direto ou cooperativo. Além do mais, considera-se que o relay emprega Codificação de Repetição (CSI-RC), em que fonte e relay utilizam a mesma palavra-código, ou Codificação Paralela (CSI-PC), em que diferentes palavras-código são utilizadas. Para maximização da SEE, uma alocação conjunta de potência é proposta, utilizando o algoritmo Dinkelbach para alocação de potência, que também otimiza θ. Os esquemas propostos são comparados com o DF tradicional, Amplify-and-Forward (AF) e Cooperative Jamming (CJ). Estendendo a análise anterior, estuda-se a SEE para cenários cooperativos em que todos os nós são equipados com múltiplas antenas. É proposta uma alocação conjunta da taxa de confidencialidade e da alocação de potência em Alice e no relay de modo a maximizar a SEE sujeita a um limite em termos da mínima probabilidade de outage de segurança necessária. Considerando este cenário MIMO (do inglês, Multiple-Input Multiple-Output) em que apenas a CSI do canal principal é conhecida por Alice, o esquema Artificial-Noise (AN) é comparado com o esquema CSI-Aided Decode-and-Forward. Por fim, considerando um cenário mais restritivo em relação à CSI, porém mais realista, em que a CSI de nenhum dos canais é conhecida, o throughput seguro é investigado em um cenário com atraso crítico, típico em comunicações machine-to-machine, no qual os usuários se comunicam com blocos de transmissão de tamanho finito. Nesta abordagem, o desempenho da comunicação direta é comparada com o protocolo cooperativo Selective Decode-and-Forward (SDF). The growing demand for wireless communications systems makes security an important and difficult design task. Therefore, in this thesis we approached different studies at physical layer security considering different scenarios of partial secrecy requirements, multiple antennas and finite blocklenghts. With respect to the partial secrecy regime, we evaluate the secure energy efficiency (SEE) of a cooperative network subject to partial secrecy requirements, implemented through a fractional equivocation parameter θ ϵ (0, 1] that allows partial secrecy when θ < 1. We assume that only the channel state information (CSI) of the legitimate channel is available, while the CSI with respect to the eavesdropper is unknown. Then, we propose a CSI-Aided Decode-and-Forward (DF) scheme, in which the transmitter uses the available CSI in order to choose between direct and cooperative paths. Moreover, the relay employs either Repetition Coding (CSI-RC), i.e., source and relay use the same codebook, or Parallel Coding (CSI-PC), when different codebooks are used. By resorting to the Dinkelbach algorithm, we propose a joint power allocation scheme, which also optimizes θ to maximize the SEE. Our schemes are compared with the traditional DF, Amplify-and-Forward (AF), and Cooperative Jamming (CJ). Extending the previous analysis, we also study the SEE in a cooperative scenario where all nodes are equipped with multiple antennas. Moreover, we employ secrecy rate and power allocation at Alice and at the relay in order to maximize the SEE, subjected to a constraint in terms of a minimal required secrecy outage probability. Considering this MIMO scenario in which only the CSI with respect to the legitimate nodes is available at Alice, we compare the Artificial-Noise (AN) scheme with CSI-Aided Decode-and-Forward (CSI-DF). Lastly, considering a more restrictive scenario with respect to the CSI, but more realistic, in which the legitimate transmitter has no knowledge of the instantaneous channel state information with respect to neither the legitimate receiver nor the eavesdropper, we investigate the secure throughput in a delay-critical scenario, such as in some applications of machine-to-machine communications, so that users communicate with a finite blocklength. In this approach, the performance of direct and selective decode-and-forward cooperative communication strategies are compared.

Muitos sistemas apresentam imposições de confiabilidade e latência que se tornam mais difíceis de serem atingidas quando a rede em que o sistema opera é uma rede sem fio. Por outro lado, módulos sensores em uma rede desse tipo precisam economizar energia para evitar gastos com manutenção e estender seu tempo de vida, visto que muitas vezes estes módulos se encontram em locais de difícil acesso. Diversos estudos até aqui realizados mostram ser possível reduzir o consumo de energia de nós otimizando parâmetros da comunicação sem fio. O fato de o sistema exigir uma latência máxima implica que o número de retransmissões não pode ser ilimitado. Nesta dissertação é avaliada a minimização do consumo de energia otimizando parâmetros de comunicação como a ordem de modulação, a SNR (Signal-to-Noise Ratio), taxa de código e inclusive o número de retransmissões, em uma rede que possui exigências de confiabilidade, latência e potência máxima. Este trabalho considera uma comunicação através de um canal com desvanecimento do tipo Rayleigh, o uso de códigos corretores de erro convolucionais, além de S-HARQ (Simple-Hybrid Automatic Repeat Request) como técnica de retransmissão de mensagens. Ao final a mesma avaliação é feita, porém maximizando a eficiência energética do sistema, o que nos leva a perceber que o número máximo de retransmissões não sofre grande impacto quando o tipo de otimização é trocado. Os resultados mostram que a limitação de atraso impacta diretamente na seleção dos parâmetros. Quando o objetivo for reduzir o consumo energético ou aumentar a eficiência energética em um ambiente com limitação de latência nem sempre a melhor escolha será aumentar o número de retransmissões possíveis. Maiores atrasos permitem o uso de números de retransmissões maiores, estendendo o alcance dos dispositivos e reduzindo seu consumo. Além disso, aumentar a confiabilidade das entregas de pacotes impacta de maneira a dificultar a comunicação do ponto de vista energético. Many systems present constraints of reliability and delay, which become harder to be achieved when the system operates through a wireless network. On the other hand, sensor modules in these networks need to save energy avoiding maintance costs and extending their lifetime, since these modules are usually located in places that are difficult to access. Several works have shown that is possible to reduce the energy consumption in sensor nodes optimizing wireless communication parameters. The fact that the system requires a maximum delay implies that the number of retransmissions cannot be unlimited. In this work we evaluate the energy consumption minimization, optimizing communication parameters such as the modulation order, the SNR (Signal-to-Noise Ratio), code rate, including the number of retransmissions, in a network with reliability, latency and maximum power requirements. This work considers that the wireless links are subjected to Rayleigh fading, while we employ convolutional error correcting codes and S-HARQ (Simple-Hybrid Automatic Repeat Request) as the retransmission technique. In addition, the same evaluation is made, but maximizating system’s energy efficiency, which yields small differences with respect to the case when the energy consumption is minimized. Results show that the delay constraints impact directly in communication parameters selection. Moreover, when the goal is to reduce energy consumption or to increase energy efficiency in a environment with latency constraints, it is not always a good choice to increase number of possible retransmissions. Higher delays allow the use of a large number of retransmission attempts, extending the device’s range and reducing its energy consumption. Furthermore, increasing package delivery realiability turns the communication task harder from the energy efficiency point of view.

Este trabalho estuda as potenciais melhorias na eficiência energética e vazão do método híbrido de requisição automática de retransmissão (Hybrid Automatic Retransmission Request, HARQ). A análise inclui as camadas física (PHY) e de acesso ao meio (MAC). É investigada a relação de compromisso gerada pelo HARQ, o qual demanda uma menor potência de transmissão para uma certa probabilidade de falha alvo ao custo de mais acessos ao canal. Uma vez que a competição para acesso ao canal na camada MAC é bastante custosa em termos de energia e atraso, os resultados mostram que a utilização do HARQ leva a uma grande melhoria de performance devido ao menor número de nós competidores – uma consequência da redução na potência de transmissão necessária. Contra-intuitivamente, esta análise leva à conclusão que retransmissões podem diminuir o atraso, melhorando a performance do sistema. Finalmente, são também investigados valores ótimos para o número de retransmissões permitidas, visando maximizar vazão ou/e eficiência energética. This work studies the potential improvements in terms of energy efficiency and throughput of a hybrid automatic retransmission request (HARQ) mechanism. The analysis includes both the physical (PHY) and medium access (MAC) layers. We investigate the trade-off provided by HARQ, which demands reduced transmit power for a given target outage probability at the cost of more accesses to the channel. Since the competition for channel access at the MAC layer is very expensive in terms of energy and delay, our results show that HARQ leads to great performance improvements due to the decrease in the number of contending nodes – a consequence of the reduced required transmit power. Counter-intuitively, our analysis leads to the conclusion that retransmissions may decrease the delay, improving the system performance. Finally, we investigate the optimum values for the number of allowed retransmissions in order to maximize either the throughput or the energy efficiency.

Redes de sensores sem fio geralmente são compostas por dispositivos que demandam qualidade de transmissão, porém com energia limitada. Desta condição, surge a necessidade do estudo da eficiência energética. Neste documento são apresentadas e comparadas algumas técnicas para melhorar a eficiência energética que englobam o uso da diversidade, tais como o uso de múltiplas antenas no transmissor e receptor bem como o uso de comunicação cooperativa, esta última melhor aproveitada quando um canal de retorno está disponível. São abordados dois modelos de comunicação. No primeiro cenário, apenas a camada física é levada em conta em uma rede MIMO cooperativa com múltiplos relays, em que é proposto um algoritmo distribuído iterativo de alocação de potência baseado no algoritmo de Dinkelbach visando a maximização da eficiência energética. Os resultados demonstram que o uso de múltiplas antenas melhora a eficiência energética, mas que dependendo da técnica MIMO utilizada, o número de relays e o número de antenas podem levar a efeitos diferentes em termos de eficiência energética. Em seguida, é apresentado um cenário que envolve a camada física e a camada de controle de acesso ao meio (MAC), no qual propõe-se um protocolo MAC cooperativo distribuído. Neste caso, além da energia utilizada para transmitir os pacotes de dados, também é analisado o atraso e o consumo para acessar o canal. Pelos resultados obtidos, notase que as técnicas MIMO aumentam a eficiência energética em relação ao caso SISO, das quais pode-se destacar a seleção de antenas. Além disso, outros parâmetros, tais como densidade de nós, eficiência espectral, número de antenas e distância entre nós, são analisados em termos de eficiência energética. Wireless sensor networks are usually composed of devices that require transmission quality, but with limited energy. From this condition arises the necessity of the energy efficiency study. In this document, we present and compare some techniques to improve the energy efficiency, which include the use of diversity, such as the use of multiple antennas in the transmitter and receiver as well as the use of cooperative communication. The latter has better results when a feedback channel is available. We cover two communication scenarios. In the first scenario, only the physical layer is taken into account in a MIMO cooperative network with multiple relays, where we propose a power allocation distributed iterative algorithm based on the Dinkelbach’s algorithm aiming at the energy efficiency maximization. The results show that the use of multiple antennas improve the energy efficiency, but depending on the used MIMO transmission scheme, the number of relays and the number of antennas can lead to different effects with respect to the energy efficiency. In the following, we present a scenario that contains a cross-layer analysis encompassing physical and medim access control (MAC) layers in a cooperative MIMO network, where we propose a distributed cooperative MAC protocol. In this case, besides the energy used to transmit thte data packets, we also analyze the delay and energy consumption to access the channel. Results show that the MIMO techniques improve the energy efficiency when we compare to SISO, especially when employing antenna selection techniques. In addition, other parameters, such as node density, spectral efficiency, number of antennas and distance between nodes, are analyzed with respect to the energy efficiency.